5 de junio de 2009

La Luz

La Luz

¿Se puede pesar la luz?

Sin luz no existiría vida en la Tierra y nosotros los seres humanos no podríamos alzar nuestra vista hacia el firmamento y saber algo sobre los fascinantes fenómenos en el cosmos. La luz es el mensajero, quien nos trae informaciones de las regiones más profundas del universo. Preguntémonos ¿Qué es realmente la luz?

Antes de Einstein, el mundo científico estaba convencido, que la luz es simplemente una oscilación electromagnética sin masa. Hoy sin embargo sabemos, que según la teoría cuántica, la luz puede adquirir el carácter de una onda como también el de una partícula. La unidad más pequeña de la luz se llama cuantos de luz o fotones, cuyo contenido energético no puede ser arbitrariamente pequeño. La energía de un fotón depende del largo de onda lambda λ de la frecuencia f, respectivamente.

E = h × f = h × c/ λ

Donde h es la constante de Planck (h = 6,625 x 10^-34 [Js]), c es la velocidad de la luz (~3 × 108 [m/s]).

Cuando el astrónomo habla de luz, entonces se refiere no sólo el reducido espectro de la luz visible. Para él, todas las frecuencias utilizables de las ondas electromagnéticas, son “luz”, portadores útiles de información. Aquí también aplicaremos este concepto de luz.
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Los Fotones son entonces cuántas energéticos, las unidades más pequeñas de una onda elctromagnética, que también los podemos concebir como partículas con una masa en reposo cero, es decir, en un estado de reposos total no acusan masa. Según la teoría especial de la relatividad, la equivalencia de energía y masa, respectivamente, a un fotón no se le puede adjudicar una masa m, mejor dicho un impulso p:

E = mc^2 y p = mc = hf/c

Para esto un ejemplo de cálculo

Calcularemos la energía de un fotón a una frecuencia de 10.000 [Hz] (10 [KHz]

E = h*f = 6.625*10-34 [Js] * 10000 [s]-1 =6,625*10-30 [J] (1 [J] = [m2Kgs-2])

La fórmula de Einstein E = mc^2 para determinar m:

m = E/c2 = 6,625*10-30 [m2Kgs-2]/ 9*1016 [m2s-2] = 7.4*10-47 [Kg]

Según esto, a nuestro fotón le podemos asignar una masa, aún cuando es muy reducida. ¡En principio la luz se puede pesar!
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Cuando los astrónomos hablan de luz, no sólo se refieren a la luz visible. Más bien, hablan de todas las frecuencias de las ondas electromagnéticas, comenzando por las ondas radiales más largas por la luz infrarroja, el ámbito visible, UV, hasta los rayos X y radiaciones gammas más duras. Esto ya solo por la razón, ya que hoy se usan casi todas los largos de ondas, para obtener informaciones de los objetos cósmicos más lejanos (por ejemplo, radio astronomía; astronomía en el campo rayos X; y astronomía de rayos gamma). Por último, esta luz, de momento, es nuestra única posibilidad, de saber algo sobre mundos inalcanzables.
En el siguiente esquema se puede ver el espectro de las ondas electromagnéticas:



Gammastrahlung = Radiaciones gamma
Röntgenstrahlung = Radiaciones de rayos X
Sichtbares Licht = Luz visible
Radiowellen = Ondas radiales
Mikrowellen = Microondas
Welle = Onda
Wellenlänge = largo de ondas

La escala de las ondas electromagnéticas

El largo de ondas se extienden por un margen gigantesco, comenzando con las ondas más largas pobres en energía (no representadas aquí), donde las oscilaciones pueden tener un largo de 100 [Km] hasta las altamente energéticas radiaciones gamma con u largo de onda de, por ejemplo, de solo 10^-12 [m].

Una onda electromagnética se puede suponer como un atado de fotones, los cuales todos oscilan juntos de una menara determinada. Mientras más rápidas son las oscilaciones (mientras más alta la frecuencia), tanto más alto es el contenido de energía. Las ondas de luz infrarroja son relativamente largas y por esto pobres en energía, las radiaciones de rayos X son uy cortas y por esto altamente energéticas.
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Efectos interactivos

Como vimos arriba, los fotones tienen una masa en reposo cero. Por lo cual los fotones nos pueden ser desviados por campos eléctricos y magnéticos, porque estos campos a su vez son transferidos por fotones virtuales y estos cuantas energéticos no reaccionan entre ellos. Pero si pueden interactuar con otras partículas, esto se produce por absorción o emisión. Si un electrón colisiona con un fotón, absorbe este cuanta con un contenido de energía de radiación E = hf y por esto llega hasta un nivel de energía más elevado (Esto significa, se aleja del núcleo atómico por un valor determinado).


Si el electrón regresa a su nivel anterior, entonces emite un quanta de radiación, un fotón con un largo de onda característico (el fotón emitido tiene un poco menos de energía que el absorbido, ya que el electrón “consumió” para si esta diferencia). De este modo. Por ejemplo, se forman las líneas de emisión en u espectro y así nos delatan la composición de la atmósfera de las estrellas.
Junto a su energía, un fotón también transmite su impulso a la partícula, es decir se ejerce una cierta presión por radiación. Es una fuerza ejercida por una unidad de superficie, que es tanto mayor, mientras más cuantos chocan con esta superficie tanto más grande es el impulso hf/c. Si hay una predominancia de un equilibrio termodinámico, como por ejemplo en un cuerpo negro, entonces la presión de radiación p de la temperatura T:

p = aT^4 /3 p

Donde a es la constante de densidad de radiación:

a = 7,581 · 10^-16 [J m^-3 K^-4]

La presión de radiación juega un papel predominante en el interior de las estrellas, donde una gran parte aporta al equilibrio contra la gravitación dirigida hacia el interior, como también en la formación de nuevas estrellas. En base a esta presión de radiación, se podría usar la luz como propulsora en cohetes (en los motores de impulso a fotones) y mediante de estos obtener velocidades cercanas a la de la luz. Sin embargo la presión de la luz es muy reducida, y las fases de aceleración y de frenado serían indeciblemente largas. Por esto una aplicación técnica casi no es posible.
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Entre tanto los fotones no sólo pueden ser absorbidos, también existen otras interacciones de la luz con la materia. La luz también puede ser reflectada o dispersada, en superficies límites de dos sustancias de distintas densidades ópticas, aparece la refracción. Normalmente las ondas lumínicas se esparcen en forma rectilínea. Si un rayo de luz se encuentra con un obstáculo (un “canto”), se puede difraccionar. Dos ondas de luz se pueden superponer y según si se sobreponen dos crestas o dos valles, se produce una amplificación de la luz o una extinción total, a esto se le llama interferencia.

La luz también puede ser desviada, si está expuesto a grandes campos gravitacionales. Donde normalmente los fotones se esparcen en línea recta, en un campo gravitacional de un cuerpo masivo tienen que seguir la curvatura del tiempo espacio producido por este cuerpo. En este efecto se basan, por ejemplo, los lentes gravitacionales, que nos pueden mostrar objetos, que normalmente se encuentran ocultos detrás de otros objetos.
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Dispersión

La luz se dispersas a una velocidad de 299 792,458 [Km/s] (~ 3 · 10^8) en el vacío. No importando si prendemos una linterna, las luces de un estadio; el médico un equipo de rayos X o si en el espacio explota una supernova liberando con esto0 luz de las más diversos largos de ondas. En todos los casos los fotones vuelan a la misma velocidad. ¡Esto vale para todas las ondas electromagnéticas!

Pero atención, arriba se afirmó que los fotones tienen una masa (aparente). Entonces deberían ser frenados por el medio por el cual pasan, por ejemplo nuestro aire, o agua o el polvo cósmico (una especie de resistencia por roce) ¡Y esto es justamente el caso!
El aire, por ejemplo, le quita a la velocidad unos redondos 65 [Km/s], y el índice de refracción de un vidrio también se basa en este frenado. El índice de refracción n es la velocidad en el vacío c dividido por la velocidad en el medio c1, o sea:

n = c/c1

De esto, por ejemplo, se dan valores para el vidrio de 1,5 y agua 1,33.
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La causa física del “efecto de frenado” de los medios óptimamente densos, está basado, que los fotones son brevemente, absorbidos por los electrones de los átomos del medio. Con esto los electrones temporalmente ganan energía y llegan a un nivel más alto de energía. Pero enseguida recuperan su antiguo estado y emiten al fotón, el cual, ahora si ya perdido parte de su impulso original (el electrón necesita esta energía para su salto). En esto, por ejemplo, se basa la atenuación de la luz en instrumentos ópticos: mientras más lentes usa un sistema, tanto más débil se hace la imagen.

En el momento que es emitido el fotón, sigue volando a su velocidad normal en el vacío, hasta que es absorbido por el próximo electrón, con lo cual la velocidad de los rayos de luz es reducida en medios densos.

La velocidad de la luz en el vacío es entonces la velocidad máxima, con la cual la energía o las informaciones (señales) pueden ser transmitidas. Por esto se puede decir:

¡Los fotones jamás se adelantan y tampoco pueden ser adelantados por nada!

En el espacio libre siempre tienen la misma velocidad, no pueden ser retardados y tampoco acelerados.
Ahora se podría llegar a la idea “genial”, si por ejemplo un astronauta atraviesa el espacio y desde la punta de su nave emite un rayo de luz, y que entonces el rayo de luz avanza a una y media vez la velocidad por el espacio, pero desgraciadamente esto no es el caso. La velocidad de la luz es totalmente independiente desde el punto del observador.
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Constancia

La velocidad siempre es constante y no depende de ningún movimiento, esto es uno de las más importantes conclusiones de Einstein. Si por ejemplo, observaríamos a un astronauta viajar a la loca velocidad de 0.99 c hacia la Tierra y mediríamos la velocidad de su rayo de luz, entonces llegaríamos al resultado 299 792,458 [Km/s]. Incluso si diera media vuelta y se alejaría de nosotros, girando su rayo de luz nuevamente hacia nosotros, mediríamos nuevamente lo mismo. Tampoco él puede notar otra cosa, si él determina la velocidad de su rayo de luz o de una que nosotros le enviamos.
Mediante muchos experimentos, entre otros también las diferente misiones espaciales, se comprobó exitosamente esta afirmación de la teoría de la relatividad (como muchas otras también, es la teoría mundial mejor comprobada) la velocidad de la luz, no depende de ningún sistema de referencia.

Última revisión: 7 de Septiembre de 2006

Traducido del alemán por aagb: Juniode 2009
Con la gentil autorización de Werner Kasper, Mittelweg 1, D- 35117 Münchhausen, Abenteuer





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